[发明专利]一种超快阳极自组装双通多孔纳米三元氧化物的制备方法及其制得的产品和用途

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种超快阳极自组装双通多孔纳米三元氧化物的制备方法及其制得的产品和用途。

背景技术

二氧化钛是一种宽禁带半导体，性质稳定，无毒，具有良好的光电、光敏气敏、压敏特性。其光催化特性可以去除生物难降解的有毒有害物质，提供了被认为是一种极具前途的环境污染深度净化技术，光解水析氢和光电转换特性对于开发新型清洁能源，解决世界范围内的能源危机具有重大的现实意义。

TiO₂纳米管的制备有模板法、化学法和电化学阳极氧化法。其中由于电化学阳极氧化法可以通过制备参数控制纳米管形貌和尺寸，被广为采用。但是普通阳极氧化法制备的TiO₂纳米结构薄膜在应用上有多种限制：第一，由于阳极氧化法制备的TiO₂纳米管薄膜附着在金属基体表面，适当的侵蚀剂或者高电压才可以打开TiO₂底部，CN101550581A公开了一种双通TiO₂纳米管阵列膜的制备方法，利用酸洗掉底部阻挡层，过程复杂且开孔不均匀；第二，普通阳极氧化法制备的TiO₂纳米管薄膜生长速率不超过100nm/h，这是由于在含氟电解液中，电解液对生成的TiO₂纳米管顶部的化学腐蚀速率较快，从而限制了纳米管的长度，虽然改变电解质溶液及浓度，生长速率可以达到13μm/min，但重复性仍有争议，这对TiO₂应用于光电催化和太阳能电池相当不利；第三，TiO₂是宽禁带材料，需要通过金属元素或者非金属元素的掺杂可以使TiO₂禁带降低至可见光范围，增加其利用范围，例如CN102145294A公开了一种三元TiO₂薄膜的制备方法，采用渗氮及微弧氧化技术在钛合金上生长TiO₂薄膜、CN101157021A公开了一种可见光活性氮掺杂纳米二氧化钛的制备方法。

因此，快速地制备双通结构二氧化钛复合氧化物，并保持纳米多孔结构，无疑会影响钛基TiO₂纳米材料的光电、催化、光电解等性能，并影响其有关领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有电化学阳极氧化制备多孔结构技术的不足，提供一种超快阳极自组装双通多孔纳米三元氧化物的制备方法及其制得的产品和用途。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种超快阳极自组装双通多孔纳米三元氧化物的制备方法，包括以下步骤：

1)二元钛合金的前处理：将二元钛合金进行电火花切割，然后用200#、400#的水砂纸打磨至表面平滑；之后在10～20g/l NaOH溶液，80～100℃下浸泡30～60min除油；再在超声条件下，依次用丙酮和去离子水清洗，然后干燥备用；

2)电解液的制备：用强氧化性物质与去离子水按比例配比；

3)在合金表面制备双通多孔纳米非晶三元氧化物：在常温下采用两电极电解池，以二元钛合金为阳极，石墨或铂片为对电极，在10～100V电压条件下进行阳极氧化1～30min，得到双通多孔纳米三元非晶氧化物；

4)晶化处理：将双通多孔纳米三元非晶氧化物进行热处理，得到具有一定晶相组成的双通多孔纳米三元氧化物。

所述氧化物为在微观上具有双通、纳米多孔结构的氧化膜。

所述步骤1)中合金为成份均匀的合金Ti-xNb，x为Nb的原子百分含量，优选为30～70。

所述步骤2)中强氧化性物质为过氧化物或是含有强氧化能力的含氧酸及其盐。

所述强氧化性物质优选为高氯酸及盐、高锰酸及盐、硝酸及盐。

所述步骤2)中电解液中电解质的体积百分比浓度为1～100vol％。

所述步骤3)中氧化物生成速率大于3g/h。

所述步骤4)中热处理温度为400～1000℃、热处理是时间为30～180min，烧结气氛为氧气气氛或空气气氛。

所述步骤4)中双通多孔纳米三元氧化物的晶相，其二氧化钛的晶相组成可以是锐钛矿相、金红石相或其组合，其氧化铌的晶相可以是单斜相或六方相或其组合。

上述制备方法制得的双通多孔纳米三元氧化物产品，所述氧化物表面及底面均呈纳米多孔结构，表面孔径10～60nm，底面孔径20～100nm，孔间距10～150nm，纳米管长径比大于1000。

上述双通多孔纳米三元氧化物产品的用途，所述三元氧化物产品可以用于光电、催化、水污染处理、传感器领域。